DE60200453T2

DE60200453T2 - Verfahren zur Bestimmung der Magnetisierung eines elektromagnetischen Ventilsteuerungsaktuators

Info

Publication number: DE60200453T2
Application number: DE60200453T
Authority: DE
Inventors: Egidio D'alpaos; Michele Morselli; Flavia D'antonio
Original assignee: Magneti Marelli Powertrain SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: ITBO20010077A0; BR0200427A; DE60200453D1; ES2219590T3; EP1231361B1; EP1231361A2; ITBO20010077A1; US20020163329A1; EP1231361A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Magnetisierungskurve eines elektromagnetischen Aktuators zum Steuern eines Motorventils.
Bekanntlich werden gegenwärtig Verbrennungskraftmaschinen der in der am 4. August 1999 eingetragenen Italienischen Patentanmeldung BO99A000443 beschriebenen Art getestet, bei denen die Bewegung der Einlass- und der Auslassventile durch elektromagnetische Aktuatoren ausgeführt wird. Die elektromagnetischen Aktuatoren weisen zweifellose Vorteile auf, denn sie ermöglichen das Steuern jedes Ventils gemäß einem für jeden Motorbetriebszustand optimierten Gesetz, wohingegen bei den traditionellen mechanischen Aktuatoren (typischerweise Nockenwellen) ein Ventilhubprofil definiert werden muß, das einen annehmbaren Kompromiss für alle möglichen Motorbetriebszustände darstellt.
Ein elektromagnetischer Aktuator für ein Ventil einer Verbrennungskraftmaschine der oben beschriebenen Art umfasst normalerweise mindestens einen Elektromagneten, der einen Aktuatorkörper bewegen kann, der aus ferromagnetischem Material besteht und mechanisch mit dem Schaft des jeweiligen Ventils verbunden ist. Zum Anwenden eines speziellen Bewegungsgesetzes auf das Ventil steuert eine Steuereinheit den Elektromagneten mit einem Strom an, der sich über die Zeit verändern kann, um den Aktuatorkörper in geeigneter Weise zu bewegen.
Bei Tests wurde festgestellt, daß die Position des Aktuatorkörpers, um eine relativ hohe Präzision beim Steuern des Ventils zu erhalten, in Rückkoppelung gesteuert werden muss; deshalb muss eine genaue und im wesentlichen reelle Meßwertanzeige für die Position des Aktuators über die Zeit vorliegen. Bisher wurden Verfahren zum Bestimmen der Position des Aktuatorkörpers vorgeschlagen, die sich auf das Messen der elektrischen Größen (Spannung und Strom) der mit dem Ansteuerungselektromagneten verbundenen elektrischen Schaltkreise und auf die Kenntnis der Funktionsmerkmale, insbesondere der Magnetisierungskurve, des Magnetkreises des Ansteuerungselektromagneten gründen.
Gegenwärtig wird die Magnetisierungskurve des Ansteuerungselektromagneten für jeden einzelnen Elektromagneten gemessen, bevor der Elektromagnet in den Motor eingebaut wird; bei diesem Vorgang bleiben jedoch die Wirkungen unberücksichtigt, die durch Alterung und durch den Einbau in den Motor an dem Elektromagneten erzeugt werden. Ebenso wurde eine Messung der Magnetisierungskurve für jeden einzelnen Elektromagneten nach dem Einbau Einbau in den Motor vorgeschlagen; dieser Vorgang ist jedoch kostspielig, da die Messung an dem zusammengefügten Motor kompliziert ist und jedenfalls nicht die Wirkungen berücksichtigt werden, die durch Alterung an dem Elektromagneten erzeugt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Magnetisierungskurve eines elektromagnetischen Aktuators zum Steuern eines Motorventils zu schaffen, das keinen der beschriebenen Nachteile aufweist und insbesondere leicht und kostengünstig ausführbar ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Magnetisierungskurve eines elektromagnetischen Aktuators zum Steuern eines Motorventils nach Anspruch 1 geschaffen. Nunmehr wird die vorliegende Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, die ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel darstellen, und in denen:
1 eine schematische Ansicht eines Motorventils und eines zugehörigen elektromagnetischen Aktuators, der mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung funktioniert, mit Seitenaufriss und zum Teil im Schnitt geführtem Aufriss ist;
2 eine schematische Ansicht einer Steuereinheit des Aktuators gemäß 1 ist;
3 schematisch einen elektromagnetischen Schaltkreis der Steuereinheit gemäß 2 darstellt;
4 schematisch einen elektrischen Schaltkreis darstellt, der modellhaft das Verhalten von in dem elektromagnetischen Aktuator gemäß 1 induzierten Wirbelströmen darstellt;
5 Diagramme bezüglich der zeitlichen Entwicklung einiger Größen zeigt, die für den elektromagnetischen Aktuator gemäß 1 charakteristisch sind;
6 in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit der Diagramme gemäß 5 darstellt; und
7 ein Diagramm der Magnetisierungskurve des elektromagnetischen Aktuators gemäß 1 darstellt, die durch Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 insgesamt einen elektromagnetischen Aktuator 1 (der in der am 4. August 1999 eingereichten Italienischen Patentanmeldung BO99A000443 beschriebenen Art), der mit einem Einlass- oder Auslassventil 2 einer Verbrennungskraftmaschine von bekannter Art verbunden ist, um das Ventil 2 entlang einer Längsachse 3 des Ventils zwischen einer (bekannten und nicht dargestellten) Schließstellung und einer (bekannten und nicht dargestellten) maximalen Öffnungsstellung zu bewegen.
Der elektromagnetische Aktuator 1 umfasst einen Arm 4, der zumindest teilweise schwenkt und aus ferromagnetischem Material besteht, und dessen erstes Ende an einer Halterung 5 angelenkt ist, so dass er mit Drehung senkrecht zu und nicht in der gleichen Ebene wie die Längsachse 3 des Ventils 2 um eine Achse 6 schwenken kann, und dessen zweites Ende über ein Gelenk 7 mit einem oberen Ende des Ventils 2 verbunden ist. Der elektromagnetische Aktuator 1 umfasst weiterhin zwei Elektromagneten 8, die durch die Halterung 5 auf eine feste Position eingestellt sind, so dass sie auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schwenkarms 4 angeordnet sind, und eine Feder 9, die mit dem Ventil 2 verbunden ist und den Schwenkarm 4 in einer (in 1 dargestellten) Mittelposition halten kann, in der sich der Schwenkarm 4 in gleichem Abstand von den Polstücken 10 der zwei Elektromagneten 8 befindet.
Gemäß einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die mit dem Ventil 2 verbundene Feder 9 durch eine Torsionsstabfeder, die mit dem zwischen der Halterung 5 und dem Schwenkarm 4 vorhandenen Gelenk verbunden ist, längsseits positioniert.
Bei Gebrauch werden die Elektromagneten 8 von einer (in 2 dargestellten) Steuereinheit 11 in einer solchen Weise gesteuert, dass sie wechselweise oder gleichzeitig eine magnetische Anziehungskraft auf den Schwenkarm 4 ausüben und ihn in Drehung um die Drehungsachse 6 versetzen und folglich das Ventil 2 entlang der entsprechenden Längsachse 3 und zwischen der oben genannten (nicht dargestellten) maximalen Öffnungsstellung und der Schließstellung bewegen. Insbesondere befindet sich das Ventil 2 in der (nicht dargestellten) Schließstellung, wenn der Schwenkarm 4 gegen den oberen Elektromagneten 8 anliegt, in der (nicht dargestellten) maximalen Öffnungsstellung, wenn der Schwenkarm 4 gegen den unteren Elektromagneten 8 anliegt, und in einer zum Teil offenen Stellung, wenn die zwei Elektromagneten 8 beide abgeschaltet sind und sich der Schwenkarm 4 auf Grund der von der Feder 9 ausgeübten Kraft in der (in 1 dargestellten) Mittelstellung befindet.
Die Steuereinheit 10 steuert in Rückkoppelung und in im wesentlichen bekannter Weise die Position des Schwenkarms 4, d.h. die Stellung des Ventils 2, gemäß dem Betriebszustand des Motors.
Insbesondere umfasst gemäß den Darstellungen in 2 die Steuereinheit 10 einen Referenzerzeugungsblock 12, einen Berechnungsblock 13, einen Ansteuerblock 14, der die Elektromagneten 8 mit einem Strom speisen kann, der sich über die Zeit verändern kann, und einen Bestimmungsblock 15, der im wesentlichen in Echtzeit die Position x (t) und die Geschwindigkeit s (t) des Schwenkarms 4 durch Messung der elektrischen Größen des Ansteuerblocks 14 und/oder der zwei Elektromagneten 8 bestimmen kann. Gemäß den Darstellungen gemäß 3 umfasst jeder Elektromagnet 8 einen jeweiligen Magnetkern 16, der mit einer entsprechenden Spule 17 verbunden ist, die von dem Ansteuerblock 14 gemäß den von dem Berechnungsblock 13 empfangenen Befehlen angesteuert wird.
Bei Gebrauch empfängt der Referenzerzeugungsblock 12 am Eingang eine Anzahl von Parametern, welche die Motorbetriebsbedingungen (beispielsweise die Belastung, die Anzahl der Umdrehungen, die Position des Drosselklappengehäuses, die Winkelposition der Antriebswelle, die Temperatur der Kühlflüssigkeit) anzeigen, und versorgt den Berechnungsblock 13 mit einem objektiven Wert x_R(t) (d.h. einem Sollwert) für die Position des Schwenkarms 4 (und deshalb des Ventils 2).
Gemäß dem objektiven Wert x_R(t) und dem von dem Bestimmungsblock 15 empfangenen bestimmten Wert x (t) für die Position des Schwenkarms 4 verarbeitet der Berechnungsblock 13 ein Befehlssignal z (t) zum Ansteuern der Elektromagneten 8 und sendet es zu dem Ansteuerblock 14.
Der Schwenkarm 4 ist zwischen den Polstücken 10 der zwei Elektromagneten 8 positioniert, die von der Halterung 5 auf eine feste Position und auf einen festen Abstand voneinander eingestellt sind, und deshalb kann der bestimmte Wert x (t) für die Position des Schwenkarms 4 direkt mit Hilfe einer einfachen algebraischen Summe aus einem bestimmten Wert d (t) des Abstands erhalten werden, der zwischen einem gegebenen Punkt des Schwenkarms 4 und einem entsprechenden Punkt von einem der zwei Elektromagneten 8 besteht.
Unter speziellem Verweis auf 3, die einen einzelnen Elektromagneten 8 darstellt, werden im folgenden die Verfahren beschrieben, die der Bestimmungsblock 15 zum Berechnen eines bestimmte Wertes d (t) des Abstands nutzt, der zwischen einem gegebenen Punkt des Schwenkarms 4 und einem entsprechenden Punkt des Elektromagneten 8 besteht.
Bei Gebrauch, wenn der Ansteuerblock 14 eine Spannung v (t), die sich über die Zeit verändern kann, an die Klemmen der Spule 17 des Elektromagneten 8 anlegt, wird die Spule 17 von einem Strom i (t) durchflossen, wodurch folglich ein Fluss φ (t) durch einen mit der Spule 17 verbundenen Magnetkreis 18 hindurch erzeugt wird. Insbesondere besteht der mit der Spule 17 verbundene Magnetkreis 18 aus dem aus ferromagnetischem Material bestehenden Kern 16 des Elektromagneten 8, dem aus ferromagnetischem Material bestehenden Schwenkarm 4 und dem zwischen dem Kern 16 und dem Schwenkarm 4 bestehenden Magnetspalt 19.
Der Magnetkreis 18 weist einen magnetischen Gesamtwiderstand R auf, der durch die Summe des magnetischen Widerstands des Eisens R_fe und des magnetischen Widerstands R_o des Magnetspalts definiert ist (Gleichung [2]); der Wert des Fluss φ (t), der in dem Magnetkreis 18 zirkuliert, ist an den Wert des Stroms i (t), der in der Spule 17 zirkuliert, durch die Gleichung [1] gebunden, in der N die Anzahl der Windungen der Spule 17 ist und h_p (t) ein Beitrag von Amperewindungen auf Grund von etwaigen Wirbelströmen i_par ist, die in dem Schwenkarm 4 induziert werden: [1] N*i(t)+hp (t)=R*φ(t) [2] R = Rfe+ R0
Im allgemeinen hängt der Wert des magnetischen Gesamtwiderstands R sowohl von der Position x (t) des Schwenkarms 4 (d.h. von der Amplitude des Magnetspalts 19, der gleich der Position x (t) des Schwenkarms 4 ist oder durch einen festen, konstanten Wert von dieser Position abweicht) und von dem Wert ab, den der Fluss φ (t) annimmt. Wenn man vernachlässigbare Fehler unberücksichtigt läßt, d.h. als Anfangsnäherung, kann behauptet werden, daß der Wert des magnetischen Widerstands R_fe des Eisens nur von dem Wert abhängt, den der Fluss φ (t) annimmt, während der Wert des magnetischen Widerstands R₀ des Magnetspalts 19 nur von der Position x (t) abhängt, d.h. [3] R (x(t), φ(t)) = Rfe(φ(t)) + R0(x(t)) [4] N * i(t) + hp(t) = R(x(t), φ(t)) * φ(t) [5] N * i(t) + hp(t) = Rfe φ(t)) * φ(t) + R0 (x(t)) * φ(t) [6] N * i(t) + hp(t) = Hfe φ(t)) + R0(x(t)) * φ(t)
Wenn man Gleichung (6) bezüglich R₀ (x(t)) löst, kann man den Wert des magnetischen Widerstands an dem Magnetspalt R₀ unter der Voraussetzung erhalten, dass eine Bestimmung des Beitrags h_p (t) von Amperewindungen auf Grund der Wirbelströme i_par bekannt ist, dass der Wert des Stroms i (t), ein Wert, der sich leicht mit Hilfe eines Amperemeters 20 messen lässt, bekannt ist, dass der Wert der Anzahl N von Windungen bekannt (festgelegt und von den Konstruktionsmerkmalen der Spule 17 abhängig) ist, daß der Wert des Flusses φ (t) bekannt ist, und dass die zwischen dem magnetischen Widerstand R_fe des Eisens und dem Fluss φ (t) bestehende Beziehung bekannt ist, d.h. dass die Magnetisierungskurve C des Eisenteils des Magnetkreises 18 bekannt ist.
Die zwischen dem magnetischen Widerstand an dem Magnetspalt R₀ und der Position x bestehende Beziehung läßt sich ziemlich einfach durch Analysieren der Merkmale des Magnetkreises 18 erhalten (wobei ein Beispiel für ein Modell des Verhaltens des Magnetspalts 19 durch Gleichung [8] gezeigt ist). Sobald die Beziehung zwischen dem magnetischen Widerstand an dem Magnetspalt R₀ und der Position x bekannt ist, kann man die Position x aus dem magnetischen Widerstand an dem Magnetspalt R₀ durch Anwendung der umgekehrten Beziehung erhalten, die sowohl durch Anwendung der genauen Gleichung als auch durch Anwendung eines annähernden numerischen Berechnungsverfahren anwendbar ist. Das Obige läßt sich in den folgenden Gleichungen zusammenfassen (in denen die Konstanten K₀, K₁, K₂, K₃ Konstanten sind, die sich experimentell mit Hilfe einer Reihe von Messungen an dem Magnetkreis 18 erhalten lassen):
Aus dem Obigen wird deutlich, dass dann, wenn der Fluss φ (t) gemessen werden kann, relativ einfach die Position x (t) des Schwenkarms 4 errechnet werden kann. Weiterhin lässt sich ausgehend von dem Wert der Position x (t) des Schwenkarms 4 der Wert der Geschwindigkeit s (t) des Schwenkarms 4 mit Hilfe eines einfachen Zeitableitungsvorgangs für die Position x (t) errechnen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Messen des Flusses φ (t) an dem Magnetkern 16 eine Hilfsspule 22 angeschlossen (die aus mindestens einer Windung besteht und im allgemeinen mit einer Anzahl N_a von Windungen versehen ist), an deren Klemmen ein weiteres Voltmeter 23 angeschlossen wird; da die Klemmen der Spule 22 im wesentlichen offen sind (der innere Widerstand des Voltmeters 23 so hoch ist, dass er als im wesentlichen unendlich angesehen werden kann, ohne merkliche Fehler einzubringen), wird die Spule 22 nicht von Strom durchflossen, und die Spannung va (t) an ihren Klemmen hängt allein von der Ableitung des Flusses φ (t) über die Zeit ab, aus der sich der Fluss über eine Integrationsoperation erhalten lässt.
Der herkömmliche Moment 0 wird so gewählt, daß der genaue Wert des Flusses φ (0) in dem Moment 0 selbst bekannt ist; insbesondere wird der Moment 0 normalerweise innerhalb eines Zeitbereiches gewählt, in dem die Spule 17 nicht von Strom durchflossen wird und der Fluss φ (t) deshalb im wesentlichen Null ist (wobei die Wirkung einer Restmagnetisierung vernachlässigbar ist), oder er wird entsprechend einer gegebenen Position des Schwenkarms 4 gewählt (typischerweise dann, wenn der Schwenkarm 4 gegen die Polstücke 10 des Elektromagneten 8 anliegt), entsprechend dem der Wert der Position x bekannt ist und deshalb der Wert des Flusses φ (t) bekannt ist.
Schließlich ist die Anmerkung angebracht, dass das oben beschriebene Verfahren zum Bestimmen der Position x (t) nur dann verwendet werden kann, wenn die Spule 17 eines Elektromagneten 8 von Strom durchflossen wird. Aus diesem Grunde funktioniert der Bestimmungsblock 15 in der oben beschriebenen Weise mit beiden Elektromagneten 8, so dass die Bestimmung verwendet wird, die mit einem Elektromagneten 8 erfolgt ist, wenn der andere abgeschaltet ist. Wenn beide Elektromagneten 8 aktiv sind, nimmt der Bestimmungsblock 15 einen Mittelwert der mit den zwei Elektromagneten 8 berechneten zwei Werte x (t) an, nötigenfalls mit Gewichtung gemäß der jedem Wert x (t) zugeschriebenen Präzision (wobei die Bestimmung der Position x bezüglich eines Elektromagneten 8 im allgemeinen genauer ist, wenn sich der Schwenkarm nahe den Polstücken 10 des Elektromagneten 8 befindet).
Zum Bestimmen des Beitrags hp (t) von Amperewindungen der Wirbelströme i_par können die Wirbelströme i_par mit einem einzigen, äquivalenten Wirbelstrom i_p (t) modelliert werden, der in einer (in 4 dargestellten) einzigen, äquivalenten Windung p zirkuliert, die magnetisch mit dem Magnetkreis 18 verbunden ist, in dem der Magnetfluss φ (t) zirkuliert; die Windung p weist ihren eigenen Widerstand R_p und ihren eigenen magnetischen Widerstand L_p auf und wird im Kurzschluss geschlossen. Die Werte des Widerstands R_p und des magnetischen Widerstands L_p der Windung p lassen sich ziemlich einfach über eine Reihe von Prüfmessungen an dem Elektromagneten 8 erhalten. Offensichtlich ist die Windung p magnetisch auch mit der Leistungsspule 17 des Elektromagneten 8 verbunden, wobei die Spule 17N Windungen und ihren eigenen Widerstand RES aufweist.
Die Gleichungen, die den elektrischen Schaltkreis der Spule 17 und der Windung P beschreiben, sind durch Anwendung des allgemeinen Ohmschen Gesetzes gegeben:
Wenn wir zu den L-Transformationen (Laplace-Transformationen) weitergehen und die Übertragungsfunktion des Stroms i_p in der Ebene der Laplace-Transformation erhalten, erhalten wir:
Sobald die Werte des Widerstands R_p und der Induktivität Lp der Windung p bekannt sind, und sobald der Wert des Magnettlusses φ (t) über das oben beschriebene Verfahren bestimmt wurde, lässt sich der Wert des äquivalenten Wirbelstroms i_p (t) einfach durch Anwendung eines bekannten Verfahrens einer L-Antitransformation erhalten; vorzugsweise wird der Wert des äquivalenten Wirbelstroms i_p (t) durch Disketisierung der obigen Gleichung und Anwendung eines (leicht über Software auszuführenden) numerischen Verfahrens erhalten.
Es ist erkennbar, dass der äquivalente Wirbelstrom ip (t) an den in einer einzigen äquivalenten Windung p zirkulierenden Magnetkreis 18 angelegt wird und der äquivalente Wirbelstrom i_p (t) deshalb einen Beitrag h_p (t) von Amperewindungen erzeugt, die gleich seiner Intensität sind.
Wie aus Gleichung [9] erkennbar erscheint, muß zur genauen Bestimmung der Position x (t) des Schwenkarms 4 in einem ziemlich genauen Maße die Magnetisierungskurve C des Eisenteils des Magnetkreises 18 bekannt sein, d.h. die Beziehung zwischen dem Fluss φ (t) und dem magnetischen Widerstand R_fe des Eisens der Amperewindungen H_fe des Eisens (H_fe (φ (t)) = R_fe (φ (t)) * (φ (t)). Insbesondere ist die genaue Kenntnis der Magnetisierungskurve C des Eisenteils des Magnetkreises 18 um so wichtiger, je näher der Schwenkarm 4 dem Magnetkern 16 ist, da das Gewicht der Amperewindungen H_fe des Eisens exponentiell größer wird, je näher sich der Schwenkarm 4 zu dem Magnetkern 16 bewegt.
Zum Bestimmen der Magnetisierungskurve C des Eisenteils des Magnetkreises 18 mit ausreichender Genauigkeit wartet die Steuereinheit 11, bis der Schwenkarm 4 gegen den jeweiligen Magnetkern 16 anliegt; in diesem Zustand beträgt der Magnetspalt 19 im wesentlichen Null, und Gleichung [6] wird (unter der Annahme, dass wir in einem statischen oder fast statischen Betriebszustand arbeiten, um die Wirkung des Wirbelstroms i_par zu annullieren) wie folgt: [16] N * i(t) = Hfe (φ(t))
Wenn der Schwenkarm 4 zuerst gegen den Magnetkern 16 anliegt, steuert die Steuereinheit 11 die entsprechende Spule 17 mit einem Stromgefälle i(t) mit einer relativ geringen Neigung an, d.h. mit einer Zeitveränderung, um im wesentlichen den Einfluss etwaiger dynamischer Effekte zu annullieren. Da die Anzahl N der Windungen der Spule 17 aus den Konstruktionsmerkmalen des Elektromagneten 8 bekannt ist, da die Intensität des Stroms i (t) aus der Messung des Amperemeters 20 bekannt ist, und da der Wert des Flusses (φ (t) über das oben beschriebene Bestimmungsverfahren bekannt ist, ist es klar, dass durch Anwendung von Gleichung [16] die Magnetisierungskurve C des Eisenteils des Magnetkreises 18 auf einfache Weise rekonstruiert werden kann.
Der Vorgang zum Rekonstruieren der Magnetisierungskurve C des Eisenteils des Magnetkreises 18 ist im folgenden insbesondere an Hand der 5, 6 und 7 beschrieben, welche die zeitliche Entwicklungen einiger charakteristischer Größen der Elektromagneten 8 zeigen, die während eines Prüfstandtest eines Prototyps gemessen wurden.
Insbesondere stellt 5 die zeitliche Entwicklung der Position x (t) des Schwenkarms 4 (wobei das Diagramm "Position" genannt wird und mit dem Buchstaben "a" bezeichnet ist), die zeitliche Entwicklung des Stroms i (t) in einem Elektromagneten 8 (wobei das Diagramm "M1-Strom" genannt wird und mit dem Buchstaben "b" bezeichnet ist), und die zeitliche Entwicklung des Stroms i (t) in dem anderen Elektromagneten 8 dar (wobei das Diagramm "M2-Strom" genannt wird und mit dem Buchstaben "c" bezeichnet ist). 6 stellt eine Einzelheit der Diagramme 5a und 5b dar (wobei die Einzelheit durch ein Kästchen in den Diagrammen 5a und 5b hervorgehoben ist). 7 stellt eine Magnetisierungskurve C des Eisenteils eines Magnetkreises 18 dar, die durch Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens bestimmt wurde.
Zu Anfang wird ein Elektromagnet 8 von der Steuereinheit 11 mit einem relativ sehr hohen Strom i (t) angesteuert, um den Schwenkarm 4 zur Anlage gegen den jeweiligen Magnetkern 16 zu bringen; zu Anfang wird der Strom i (t) über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten, um etwaige Einschwingvorgänge zu annullieren, und anschließend wird der Strom gemäß einem abnehmenden Gefälle mit einer relativ geringen Neigung, d.h. einer zeitlichen Veränderung, allmählich verringert, um den Einfluss etwaiger dynamischer Effekte im wesentlichen zu annullieren. Während dieses kleiner werdenden Gefälles des Stroms i (t) wird die Magnetisierungskurve C des Eisenteils des Magnetkreises 18 rekonstruiert, wobei für jeden Stromwert i (t) (gleich dem Wert der Amperewindungen, dividiert durch die Anzahl N der Windungen) der entsprechende Wert des Flusses (φ (t) bestimmt wird.
Wenn der Strom i (t) und deshalb die von dem Elektromagneten 8 ausgeübte magnetische Anziehungskraft unter einen minimalen Halteschwellwert abfällt, löst sich der Schwenkarm 4 auf Grund der von der Feder 9 ausgeübten elastischen Kräfte von dem Magnetkern 16, und die oben beschriebenen Vorgänge können zur Identifizierung der Magnetisierungskurve C des anderen Elektromagneten 8 wiederholt werden. Offensichtlich ist das untere Ende der identifizierten Magnetisierungskurve C durch den Lösepunkt D definiert, der durch Identifizierung der Veränderung des Gefälles der Kurve des Stroms i (t) auf Grund der elektromotorischen Gegenwirkung diagnostiziert wird, die durch die Bewegung des Schwenkarms 4 in einem Magnetfeld induziert wird; der Spitzenwert des Stroms i (t) nach dem Lösen des Schwenkarms 4 ist in 6 hervorgehoben.
Eine genaue Identifizierung des Lösepunktes D ist bei der Flusssteuerung der Anschlaggeschwindigkeit s (t) des Schwenkarms 4 von Nutzen, denn sie liefert den Wert des objektiven Flusses φ (t), der dem Kontakt zwischen dem Schwenkarm 4 und dem Magnetkern 16 entspricht.
Nach den oben beschriebenen Vorgängen ist die Magnetisierungskurve C bis zu dem Lösepunkt D identifiziert, der einem relativ niedrigen Wert des Halteflusses φ (t) entspricht; zur Vervollständigung der Magnetisierungskurve C für die Werte des Flusses φ (t) unterhalb des Haltewerts kann eine lineare Näherung verwendet werden, die durch eine Gerade R definiert ist, die den Lösepunkt D mit dem Ursprungspunkt der Achsen verbindet, die einem Fluss von Null entspricht (wobei die bei der Konstruktion der Magnetkerne 16 und bei der Konstruktion des Schwenkarms 4 verwendeten ferromagnetischen Materialien eine vernachlässigbare Restmagnetisierung aufweisen). Diese Näherung ist annehmbar und bringt minimale Fehler ein, da die Magnetisierungskurve C bei relativ niedrigen Werten des Flusses φ(t) eine fast lineare Tendenz aufweist. Als Alternative zu der Geraden R kann eine andere, kompliziertere mathematische Funktion verwendet werden, beispielsweise eine Parabel, um die Tendenz der Magnetisierungskurve C anzunähern; beispielsweise könnte ein Zustand der Gleichheit zwischen der rechten und der linken Ableitung der Magnetisierungskurve C, die dem Lösepunkt D entspricht, auferlegt werden.
Mit der oben beschriebene Verfahren zur Rekonstruktion der Magnetisierungskurve C können wir sämtliche konstruktionsmäßigen Unsicherheiten der Elektromagneten 8 und sämtliche unvermeidlichen elastischen Verformungen der Elektromagneten 8 berücksichtigen.
Insbesondere sind die elastischen Verformungen darauf zurückzuführen, dass normalerweise die Flächen der Magnetkerne 16 und des Schwenkarms 4 nicht vollkommen in der gleichen Ebene liegen und deshalb kein Kontakt gleichzeitig an sämtlichen Stellen der gegenüberliegenden Seiten stattfindet, sondern nur an einem begrenzten Bereich. Wenn der Wert des Flusses φ (t) über das wesentliche Minimum (Haltewert genannt) hinaus erhöht wird, um den Kontakt sicherzustellen, nimmt die auf den Schwenkarm 4 ausgeübte Anziehungskraft zu; diese Zunahme der Kraft führt zu einer elastischen Verformung, welche die gegenüberliegenden Seiten zusammendrücken und den Restmagnetspalt und deshalb den magnetischen Gesamtwiderstand R des Magnetkreises 18 unter diesen Bedingungen verkleinern kann. Dieser Veränderung des magnetischen Widerstandes R steht jedoch keine Veränderung in der Position x (t) des Schwenkarms 4 gegenüber (Position x (t), welche die Steuervariable der Steuereinheit 11 ist; deshalb wird es durch das oben beschriebene Verfahren zur Rekonstruktion der Magnetisierungskurve C möglich, auch die Wirkungen der elastischen Verformung der Elektromagneten 8 in die Magnetisierungskurve C einzubeziehen und zu vermeiden, dass diese elastischen Verformungen fälschlicherweise für Bewegungen des Schwenkarms 4 gehalten werden.
Weiterhin können wir mit dem oben beschriebenen Verfahren zur Rekonstruktion der Magnetisierungskurve C den Abschnitt der Magnetisierungskurve C erkunden und genau verfolgen, der dem Beginn der Materialsättigungszone entspricht, die bei einer uneinheitlichen, jedoch laminierten Struktur und bei nichtisotropem Material von Magnet zu Magnet dispergiert werden kann. Man beachte, dass es besonders nützlich ist, den Sättigungszustand der Elektromagneten 8 genau zu kennen, um eine korrekte Rekonstruktion der Position x (t) des Schwenkarms 4 auch bei Vorhandensein von Flüssen φ (t) sicherzustellen, die sehr viel höher als der Sättigungsfluss sind, der bei dem Befehl zum Öffnen eines Ablassventils entgegen hohen Gegendrücken der verbrannten Gase eintreten kann. Schließlich können auch die durch Alterung verursachten Veränderungen in dem Systemmerkmalen berücksichtigt werden, da das oben beschriebene Verfahren zum Bestimmen der Magnetisierungskurve C zu Beginn jeder Arbeitssitzung wiederholt werden kann.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Magnetisierungskurve (C) eines elektromagnetischen Aktuators (1) zum Steuern eines Motorventils (2), welches Verfahren umfasst: Aktivieren eines Elektromagneten (8) mit einem Strom (i), der so bestimmt wird, dass ein Aktuatorkörper (4) angezogen und der Aktuatorkörper (4) in Kontakt mit dem Elektromagneten (8) bewegt wird, allmähliches Verringern des Stromes (i), bis ein Abheben des Aktuatorkörpers (4) von dem Elektromagneten (8) festgestellt wird, und Bestimmen – für mindestens einige Werte des Stromes (i) – der entsprechenden Werte, die der Magnetfluss (φ) annimmt, welcher einen Magnetkreis (18), bestehend aus dem Elektromagneten (8) und dem Aktuatorkörper (4), durchquert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Magnetisierungskurve (C) eine Gruppe von Punkten aufweist, von denen jeder durch ein Paar entsprechender Werte des Magnetflusses (φ) und des Stromes (i) oder durch ein Paar entsprechender Werte des Magnetflusses (φ) und der Amperewindungen (H_fe), erzeugt durch den Strom (i), definiert, wird, wobei die Amperewindungen (H_fe) durch den Strom (i) erzeugt wird, der gleich dem Produkt des Stromes (i) für die Anzahl (N) der in dem Elektromagneten (8) vorhandenen Windungen ist.
Verfahren nach Anspruch 2; bei dem die Magnetisierungskurve (C) durch eine mathematische Funktion (R) in dem Schnitt zwischen dem Punkt entsprechend einem Nullwert des Magnetflusses (φ) und einem Punkt (D) entsprechend dem Abheben des Aktuatorkörpers (4) von dem Elektromagneten (8) angenähert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die mathematische Funktion (R) eine gerade Linie ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die mathematische Funktion (R) eine Parabel ist:
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Strom (i) gemäß einem Steigungsgesetz mit einer konstanten Steigung über der Zeit verringert wird, wobei die zeitliche Ableitung des Stromes (i) unterhalb eines vorgegebenen Wertes gehalten wird; um die Wirkung dynamischer Phänomene im wesentlichen zu annulieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Augenblick des Abhebens des Aktuatorkörpers (4) von dem Elektromagneten (8) dadurch bestimmt wird, dass das Auftreten eines Impulsspitzenwertes im Strom (i) identifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Strom (i) während eines bestimmten Zeitintervalles konstant gehalten wird, ehe er allmählich verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Wert des Magnetflusses (φ) dadurch bestimmt wird, dass der Wert, der von einigen elektrischen Größen (i, v; v_a) eines mit dem Magnetkreis (18) gekoppelten elektrischen Kreises (17; 22) angenommen wird, gemessen wird, dass die zeitliche Ableitung des Magnetflusses (φ) als lineare Verknüpfung der Werte der elektrischen Größen (i, v; v_a) berechnet wird und dass die Ableitung des Magnetflusses (φ) über der Zeit integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Spannung (v_a), die an den Anschlüssen einer mit dem Magnetkreis (18) gekoppelten und den Magnetfluss (φ) verknüpfenden Hilfsspule (22) gemessen wird, wobei die Hilfsspule (22) im wesentlichen elektrisch offen ist und die zeitliche Ableitung des Magnetflusses (φ) und der Magnetfluss (φ) selbst durch die folgenden Formeln berechnet werden:
worin φ der Magnetfluss (φ) ist, Na die Anzahl der Windungen der Hilfsspule (22) ist V_a die Spannung ist, die an den Anschlüssen der Hilfsspule (22) vorhanden ist.